Среди всех стабильных элементарных частиц, известных сегодня ученым, самая, пожалуй, необычная - это нейтрино. Согласно современным представлениям, фундаментальные частицы образуют три семейства - или, как говорят физики, три поколения. Каждое поколение состоит из двух лептонов и двух кварков, а также соответствующих античастиц. Но если второе и третье поколения - это короткоживущие нестабильные частицы, то вся окружающая нас материя состоит из частиц первого поколения: два вида кварков (нижний и верхний) и один вид лептона (электрон) образуют атомы, а еще один лептон в состав атомов не входит, но является вездесущим, потому что практически беспрепятственно проникает сквозь материю. Этот-то лептон и именуется электронным нейтрино.

Неуловимые частицы

Нейтрино в огромных количествах образуются в процессе ядерного синтеза - например, на Солнце и других звездах, где водород превращается в гелий. Но эти частицы практически не взаимодействуют с обычной материей. Каждую секунду сквозь любого из нас пролетают триллионы нейтрино, но мы этого не замечаем, потому что они не обладают электрическим зарядом и крайне малы. До недавнего времени ученые считали даже, что нейтрино вообще не имеет массы покоя, однако новейшие исследования показали, что это все же не так. Почти не задерживаясь, космические нейтрино пронизывают и земной шар, что делает их изучение чрезвычайно сложной задачей. Первые удачные попытки решения этой задачи предприняли американец Реймонд Дэвис-младший (Raymond Davis Jr.) и японец Масатоси Косиба (Masatoshi Koshiba), за что в 2002 году удостоились нобелевской премии по физике. Дэвис сконструировал детектор совершенно нового типа: глубоко под землей, в заброшенной шахте в Южной Дакоте, он поместил резервуар, содержащий 615 тонн тетрахлорэтилена - широко распространенной в быту жидкости.

Ученый рассчитал, что в цистерне находится 2·10³º атомов хлора и что каждый месяц примерно 20 из них вступят в реакцию с солнечными нейтрино, в результате чего образуются атомы аргона. Дэвис разработал специальный метод регистрации и подсчета этих атомов. Эксперимент длился 30 лет, и за это время физик "отследил" около 2 тысяч атомов аргона. Это число оказалось меньше предполагаемого, что позволило ученому сделать вывод о неполноте наших представлений о происходящих на Солнце процессах.

Детектор, сконструированный Косибой, представлял собой подземный резервуар еще больших размеров, но заполненный водой. Установка позволила вести более точные измерения: фиксировать время столкновения атома с нейтрино и определять траекторию, по которой частица прибыла на Землю. Когда в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке - ближайшей к нам галактике - произошел взрыв сверхновой, Косибе удалось зарегистрировать несколько нейтрино от этого взрыва.

Проект IceCube

Однако погоня за нейтрино продолжается. Полтора месяца назад, в самый канун Рождества, на Южном полюсе завершился монтаж самого крупного в мире детектора нейтрино под названием IceCube, что в переводе означает "ледяной куб". Действительно, детектор представляет собой кубический километр льда, то есть ледяной куб с длиной ребра в 1 километр, нашпигованный более чем 5 тысячами светочувствительных сенсоров. Причем этот куб-детектор "спрятан" в самой толще ледяного массива: если суммарная толщина ледяного покрова на Южном полюсе составляет почти 3 километра, то верхняя грань куба-детектора находится на глубине 1400 метров, нижняя грань - соответственно на глубине 2400 метров. На таких глубинах лед чрезвычайно прозрачен, а это необходимое условие для эффективной работы детектора. Ведь единственный видимый след нейтрино - это чрезвычайно слабая и мгновенно гаснущая вспышка так называемого излучения Черенкова, которое испускается высокоэнергетическим мюоном, образующимся при взаимодействии нейтрино с молекулой воды - в тех крайне редких случаях, когда такое взаимодействие имеет место.

Именно эти едва заметные вспышки и призваны регистрировать светочувствительные сенсоры. Для их размещения в толще льда ученые использовали 86 скважин, но не пробуренных, а проплавленных струей горячей воды под давлением. Несколько дней спустя скважины снова замерзли, ледяной массив полностью восстановился. Работы над проектом заняли 6 лет, сейчас там идет наладка и проверка оборудования, оптимизация компьютерных программ и алгоритмов. Первые измерения предполагается начать через месяц-другой.

Проект Antares

Впрочем, охоту на нейтрино ученые ведут и в Европе. Например, с помощью детектора Antares, смонтированного в водах Средиземном море у побережья Франции близ Тулона на глубине 2400 метров. Причем эта установка уже функционирует с 2008 года. В принципе, средиземноморский детектор мало чем отличается от антарктического, только он погружен не в лед, а в воду. Светочувствительные сенсоры размещены на 12 стальных, вертикально натянутых тросах. Но у нейтринного телескопа Antares есть и одно важное отличие: помимо светочувствительных сенсоров, призванных регистрировать оптические следы нейтрино, здесь имеются еще и так называемые гидрофоны, задача которых - улавливать акустические следы загадочных частиц.

Немецкий физик Роберт Ламан (Robert Lahmann) из Эрлангенского университета говорит: "Гидрофоны - это подводные микрофоны. С их помощью мы прослушиваем Средиземное море. Теория гласит, что взаимодействие нейтрино с молекулой воды вызывает каскад вторичных частиц. При этом выделяется энергия, вода нагревается и расширяется, и это расширение сопровождается акустическим импульсом. В принципе, этот импульс несложно зарегистрировать. Проблема лишь в том, что в Средиземном море довольно шумно".

Нейтрино и дельфины

Высокочувствительные гидрофоны способны уловить такой звуковой импульс с расстояния в сотни метров, но попытка выявить его на общем шумовом фоне напоминает поиск иголки в стоге сена. Согласно теоретическим расчетам, акустический след нейтрино должен иметь частоту около 20 килогерц, но именно в этом диапазоне лежат и щелчки, издаваемые представителями некоторых видов дельфинов.

"Это изрядно осложняет задачу, - говорит Роберт Ламан. - Мы можем отличить звук нейтрино от звука дельфина только по особенностям их распространения. Волна от щелчков, издаваемых дельфинами, имеет сферическую форму, распространяется равномерно во все стороны, то есть дельфин может считаться точечным источником звука. А звуковой импульс от нейтрино распространяется преимущественно в форме плоской волны. Вот на это отличие мы и делаем ставку".

Но пока ученым не удалось акустическим методом зарегистрировать ни одного нейтрино. Так что непонятно даже, возможно ли это вообще. Все будет зависеть от того, насколько эффективно удастся отделить полезный сигнал от помех. С этой целью физики начали активное сотрудничество с биологами - к немалой радости последних. "Биологи в этом крайне заинтересованы, поскольку у них впервые появилась возможность вести постоянный подводный мониторинг - круглосуточно на протяжении всего года. Тем более что издаваемые морскими животными звуки регистрируются на расстоянии до 20 километров", - говорит Роберт Ламан.

Таким образом, средиземноморский нейтринный телескоп позволил собрать новые данные в области знаний, никак не связанной с физикой. И эти данные оказываются порой весьма неожиданными: например, они свидетельствуют о том, что популяция кашалотов в Средиземном море гораздо многочисленнее, чем считалось до сих пор.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман